Eerder deze week, natuurkundigen bij de Large Hadron Collider aangekondigd dat ze had gevonden prikkelende sporen van een mogelijke nieuwe fundamentele deeltje — misschien een zwaardere neef van het Higgs-boson is, of de ongrijpbare graviton, een quantum drager van de kracht van de zwaartekracht.
Het bewijs komt van twee aparte, maar complementaire, experimenten, ook bekend als CMS en ATLAS. Noch gemeld te vinden is solide genoeg om te zeggen dat de ontdekking, ondanks het feit dat de beide proeven een lichte hint van een deeltje in exact dezelfde plek in de gegevens, is veelbelovend. Als Gizmodo ‘ s Jamie Condliffe eerder gemeld:
Het CMS-team heeft voorgeschreven de resultaten van een statistische significantie van 2,6 sigma, terwijl de ATLAS-team heeft 3.6 sigma. Deze sigma waarden zijn een maat van hoe waarschijnlijk het is dat de resultaten en geeft de aanwezigheid van een hypothetisch deeltje: voor een resultaat worden beschouwd als een ‘ontdekking’ vereist een sigma waarde van vijf, wat neerkomt op een 1-in-3.5 miljoen kans van het resultaat wordt een eenvoudige fluke in plaats van een werkelijke deeltje. Een waarde van drie wordt beschouwd als een “interessante” resultaat, met een grotere kans op een toeval.
Dat gezegd, er is nog steeds een grote kans is dat dit signaal verdwijnt als de LHC wetenschappers verzamelen van nog meer gegevens. Het gebeurt de hele tijd in de deeltjesfysica, vandaar de inleidende opmerking getroffen door vrijwel elke natuurkundige die zijn geïnterviewd over het niet om pop de champagne kurken gewoon nog niet.
Om een beter idee van waarom dit gebeurt, laten we een kijkje nemen naar hoe de LHC verzamelt en analyseert de gegevens. De machine botst protonen bij snelheden dicht bij de snelheid van het licht, en die hoog-energetische botsingen produceren douches van de deeltjes. Natuurkundigen herkennen in de deeltjes door de elektronische handtekeningen die ze achter laten, in de vorm van nucleair verval patronen. Quarks bestaan alleen maar voor een fractie van een seconde voordat ze vervallen tot andere secundaire deeltjes. Aangezien elke quark heeft veel verschillende manieren van verval, zijn er een aantal handtekeningen, en elk moet worden onderzocht om te bepalen welke deeltjes aanwezig waren op het moment van de botsing.
Een collision event met een foton paar waargenomen door de CMS detector. Credit: CERN
Gesponsord
Dat is de reden waarom de detectoren gebruikt door de ATLAS en CMS nodig zijn om bij te houden wat er gebeurt en zin van alle gegevens. De detectoren fungeren als een filter, het plukken van mogelijk handtekeningen van een onbekend deeltje uit de tienduizenden signalen gemaakt elke miljoenste van een seconde in het gaspedaal. Natuurkundigen weten precies hoeveel van elk type deeltje ze moeten verwachten in de gegevens; het meerdere boven een bepaalde drempel is een veelbelovende aanwijzing van mogelijk nieuwe natuurkunde (zoals een nieuw deeltje).
Wanneer alles is gezegd en gedaan, deze signalen zijn te zien als onverwachte “hobbels” in het gegevens — dat is de reden waarom experimentele deeltjes fysici vaak noemen zichzelf “bump jagers.” Het ding is, het is gemakkelijk te zien kleine “oneffenheden” die niet echt aanwezig; statistische artefacten gewas up de hele tijd, met name tijdens het begin van de gegevens wordt uitgevoerd. Hoe meer gegevens, hoe beter de statistische analyse. Als een kleine “bump” blijft bestaan en wordt groter — het signaal sterker wordt — het is veel waarschijnlijker dat het de handtekening van een bona fide nieuw deeltje.
Natuurkundigen spreken over de signaalsterkte in termen van “sigmas.” Zoals ik al schreef bij Quanta voor 2013 een artikel over de jacht voor donkere materie-deeltjes:
Een signaal sterkte wordt bepaald door het aantal standaard statistische afwijkingen, of sigmas, van de verwachte achtergrond. Dit gegeven wordt vaak vergeleken met een munt met een landing op de hoofden van verschillende gooit op een rij. Een drie-sigma resultaat is een sterke hint, gelijk aan de munt landing op de kop negen keer op rij. Maar veel van zulke signalen verzwakken of verdwijnen naarmate er meer gegevens in en blijken ze minder statistisch significant. De gouden standaard voor de detectie is een vijf sigma resultaat, ruwweg vergelijkbaar met het gooien van 21 hoofden op een rij.
Achtergrond ruis maakt de taak moeilijker. “Een ‘signaal’ is wat je zoekt. ‘Achtergrond’ is alles anders, dat lijkt op het signaal en maakt het moeilijk voor u om het te vinden,” deeltjesfysicus Matthew Strassler schreef in juli 2011 blog post. Strassler voorkeur van overeenkomstige toepassing probeert te vinden twee vrienden dragen bijpassende heldere rode jasjes in een overvolle kamer met een heleboel andere mensen ook het dragen van een heldere rode jassen. Soms krijg je willekeurige clusters van rode jassen gedragen door vreemden, waardoor u ten onrechte van uit dat u hebt gevonden uw vrienden.
Een van de manieren waarop natuurkundigen beschermen tegen dit soort van valse positieven is door het gebruik van wat bekend staat als het “ergens anders Kijken.” Je hebt ook de waarschijnlijkheid te berekenen dat zou je iets zien dat overal in de gegevens — niet alleen dat, zou je een bult in die specifieke locatie. Eenmaal dat effect is meegenomen in de statistische betekenis van dit laatste mogelijk signaal daalt naar 1,2 sigma voor de CMS-en 1.9-sigma voor de ATLAS.
Het beste wat je kan zeggen, in andere woorden, is dat de laatste ATLAS-en CMS-resultaten zijn niet eenduidig. Op dit punt, kan het gaan in beide richtingen. Bijvoorbeeld, eerder dit jaar, waren er gemeld tips van een mogelijk zwaardere neef naar het Higgs-boson, evenals een glimp van een mogelijke supersymmetrische deeltjes genaamd “edge”. Zowel deze signalen verdwenen in de laatste analyse, na meer gegevens zijn toegevoegd aan de mix.
Aan de andere kant, als Dennis Overbye waargenomen in de New York Times, vier jaar geleden deze week, zowel CMS en ATLAS gemeld prikkelende hints van de nog niet ontdekte Higgs-boson, met “hobbels” in hetzelfde bereik als de laatste kandidaat. Zes maanden later, ze had opgedaan genoeg gegevens naar hoger zijn dan de kritische 5-sigma drempel en claim ontdekking.
We zullen het waarschijnlijk zeker weten door de volgende zomer, wanneer beide samenwerkingsverbanden worden verwacht te presenteren resultaten van de meest recente gegevens uitvoeren bij de LHC. “We zijn in dat interessant moment dat we kunnen zeggen is dat er misschien iets echt en nieuw in deze gegevens, en we nemen het heel serieus,” Strassler schreef over de nieuwe resultaten. “We hebben ook rekening te houden met de statistische analyses van deze hobbels serieus, en ze zijn niet zo veelbelovend als deze hobbels te kijken door de ogen.”
Of als Nima Arkani-Hamed, een theoreticus van het Institute for Advanced Study in Princeton, vertelde de New York Times, “Hoewel we nergens in de buurt van bewegende champagne nog vaag de buurt van de koelkast, het is intrigerend.”